KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ BỘ PHÁT MÃ WALSH CHO HỆ ĐO KÊNH MIMO DÙNG CÔNG NGHỆ FPGA
SV: Đào Văn Quân
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT MIMO VÀ FPGA
1.1. Giới thiệu về MIMO
1.1.1. Khái niệm
Kỹ thuật MIMO (MIMO technique) Trong lĩnh vực truyền thông là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để truyền dữ liệu. Kỹ thuật MIMO tận dụng sự phân tập (không gian, thời gian, mã hóa.. .) Nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu, tốc độ dữ liệu.. . (khác với khái niệm beam forming của smart aray antenna nhằm nâng cao độ lợi thu, phát theo không gian.. .). Tuy vậy, hạn chế của kỹ thuật MIMO là chi phí cho thiết bị cao hơn và giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp hơn.
Kỹ thuật MIMO ngày nay đang được ứng dụng rất rộng rãi: MIMO-Wifi, MIMO-UMTS.. . Nhờ tính tối ưu trong việc sử dụng hiệu quả băng thông, tốc dộ dữ liệu cao, robust với kênh truyền fading.. . Kỹ thuật MIMO tương đối đa dạng và phức tạp.
1.1.2. Lịch sử phát triển
Kĩ thuật MIMO với những ưu điểm đầy đủ của nó chỉ mới xuất hiện cách đây không lâu, nhưng những khái niệm sơ khai về hệ MIMO đã xuất hiện rất sớm từ những năm 70 do A. R Kaye và D. A George đề ra năm 1970, và W. Van Etten năm 1975,1976.
Giữa thập niên tám mươi, Jack Winters và Jack Salz làm việc tại Bell Labs đã đưa ra những ứng dụng dùng kĩ thuật tạo búp sóng - được sử dụng trong hệ MIMO sau này.
Năm 1993, Arogyaswami Paulraj và Thomas Kailath đề xuất khái niệm hợp kênh không gian sử dụng hệ MIMO.
Năm 1996, Greg Raleigh và Gerard J. Foschini đưa ra phương pháp mới sử dụng kĩ thuật MIMO dựa trên việc biểu diễn dung năng như hàm phụ thuộc vào số anten thu phát.
Năm 1998, lần đầu tiên trong lịch sử Bell Labs chứng minh thí nghiệm mô hình hợp kênh không gian (SM).
Năm 2001, sản phẩm thương mại đầu tiên sử dụng công nghệ MIMO – OFDMA được đưa ra thị trường bởi hiệp hội Iospan Wireless Inc. Sản phẩm này hỗ trợ cả mã phân tập và hợp kênh không gian.
Năm 2006, một số công ty viễn thông lớn (Beceem Communicatios, Samsung, Runcom Technology …) Tập trung phát triển kĩ thuật MIMO – OFDMA làm giải pháp cho chuẩn di động băng rộng WIMAX IEEE 802.16e. Cũng trong năm 2006 một số công ty (Broadcom, Intel …) Phát triển kĩ thuật MIMO – OFDM chuẩn bị cho kĩ thuật WiFi theo chuẩn IEEE 802.11n.
Trong tương lai kĩ thuật MIMO vẫn còn rất quan trọng trong hệ 4G, và vẫn đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm phát triển.
1.1.3. Phân loại MIMO có thể chia thành 3 mảng chính: Mã trước (Precoding), hợp kênh không gian – SM, và mã phân tập.
Mã trước là cách tạo búp sóng nhiều lớp. Trong cách tạo búp sóng đơn lớp mỗi anten phát sẽ phát các tín hiệu giống nhau với các trọng số pha thích hợp để cực đại công suất tại đầu thu. Kết quả tà tạo búp sóng làm tăng hệ số công suất thông qua cấu trúc tổng hợp, và làm giảm hiệu ứng fading do đa đường. Nếu môi trường không có tán xạ thì cách tạo búp sóng này rất có hiệu quả.
Nhưng thật không may những hệ thống trong thực tế đều không như vậy. Khi sử dụng nhiều anten nhận thì bên phát không thể tạo búp sóng để cực đại tín hiệu trên tất cả các anten nhận. Khi đó mã trước cần được sử dụng. Trong kĩ thuật này, nhiều luồng tín hiệu độc lập được phát đồng thời từ các anten phát với các trọng số thích hợp sao cho thông lượng tại bộ thu cực đại. Mã trước yêu cầu bên phát phải biết thông tin trạng thái kênh (CSI).
Hợp kênh không gian: Yêu cầu cấu hình anten phù hợp. Trong hợp kênh không gian, tín hiệu tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn, mỗi luồng được phát bởi một anten khác nhau trên cùng một băng tần. Nếu các luồng tín hiệu này đến bộ thu có sự khác biệt kí hiệu không gian thích hợp thì bộ thu có thể tách biệt các luồng này, tạo thành các kênh song song.
Hợp kênh không gian rất hữu hiệu làm tăng dung năng đáng kể trong trường hợp tỉ số SNR cao. Số luồng không gian cực đại đúng bằng hoặc nhỏ hơn số anten nhở nhất ở bên phát và bên thu. Hợp kênh không gian không yêu cầu bên phát phải biết kênh.
Mã phân tập là kĩ thuật khi bên phát không biết thông tin trạng thái kênh. Không như kĩ thuật SM, mã phân tập chỉ phát đi một luồng tín hiệu được mã hoá theo kĩ thuật được gọi là mã không – thời gian. Các anten phát tín hiệu mã hoá trực giao. Kĩ thuật phân tập khai thác tính độc lập của fading trong hệ nhiều anten để nâng cao sự phân tập của tín hiệu. Vì bên phát không biết kênh nên mã phân tập không tạo búp sóng.
Trong thực tế người ta có thể kết hợp kĩ thuật hợp kênh không gian với mã trước khi bên phát biết trạng thái kênh, hoặc kết hợp với mã phân tập trong trường hợp ngược lại.
1.1.4. Ứng dụng của MIMO
Lợi ích chính của hệ MIMO là tăng đáng kể tốc độ dữ liệu và độ tin cậy của kênh truyền. Kĩ thuật hợp kênh không gian đòi hỏi độ phức tạp của bộ thu, do đó nó thường được kết hợp với kĩ thuật hợp kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), hoặc OFDMA. Chuẩn IEEE 802.16e kết hợp chặt chẽ với kĩ thuật MIMO – OFDMA và chuẩn IEEE 802.11n sử dụng MIMO – OFDM.
Hệ MIMO cũng được sử dụng trong chuẩn di động 3GPP và 3GPP2 và đang được phát triển kĩ thuật truyền thông MIMO nâng cao như là kĩ thuật xuyên lớp, kĩ thuật nhiều người dùng và ad – hoc trong MIMO.
Xuyên lớp MIMO giải quyết các vấn đề xuyên lớp xảy ra trong hệ thống MIMO, do đó làm tăng hiệu quả sử dụng kênh. Kĩ thuật xuyên lớp này cũng làm tăng hiệu quả sử dụng kênh SISO. Các kĩ thuật xuyên lớp thường gặp là điều chế và mã hoá thích nghi (AMC), liên kết thích nghi.
MIMO nhiều người dùng có thể khai thác sự giao thoa công suất của nhiều người sử dụng như là một tài nguyên không gian cho kĩ thuật xử lý phát tiên tiến, còn trong chế độ một người dùng, hệ MIMO chỉ sử dụng nhiều anten. Ví dụ cho xử lý phát tiên tiến của hệ MIMO nhiều người dùng là giao thoa liên quan đến mã trước.
Ad – hoc MIMO là một kĩ thuật rất hữu dụng cho mạng tế bào tương lai, nó tập trung vào mạng vô tuyến mắt cáo hay mạng vô tuyến ad – hoc. Trong mạng ad – hoc nhiều nút phát liên lạc với nhiều nút thu. Để có thể tối ưu dung năng của kênh Ad – hoc, khái niệm và kĩ thuật MIMO được áp dụng cho các liên kết trong cụm nút thu và phát. Không giống với hệ anten trong hệ MIMO một người dùng, các nút này được đặt như một hạng phân bố. Để đạt được dung năng trong mạng này cần quản lý sự phân bố tài nguyên sóng vô tuyến hiệu quả như sự hoạt động đồng thời của các nút và khái niệm mã trang nhiễm bẩn.
Tóm lại, hệ MIMO với những kĩ thuật phân tập, mã trước và nhiều người dùng làm tăng đáng kể tốc độ dữ liệu và độ tin cậy kênh truyền, đang rất được quan tâm nghiên cứu phát triển hứa hẹn đêm lại cho chúng ta nhiều lợi ích hơn nữa trong truyền thông vô tuyến.
---------------------------------------------------
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ KĨ THUẬT MIMO VÀ FPGA
1.1. Giới thiệu về MIMO
1.1.1. Khái niệm
1.1.2. Lịch sử phát triển
1.1.3. Phân loại
1.1.4. Ứng dụng của MIMO
1.2. Giới thiệu về FPGA
1.2.1. Khái niệm
1.2.2. Ứng dụng
1.2.3. Hệ thống mạch liên kết
1.2.4. Các phần tử tích hợp sẵn
CHƯƠNG 2: NGÔN NGỮ VÀ MÔI TRƯỜNG LẬP TRÌNH CHO FPGA
2.1. Ngôn ngữ lập trình cho FPGA
2.1.1 Giới thiệu
2.1.2. Ngôn ngữ VHDL
2.1.2.1. Khái niệm
2.1.2.2. Cấu trúc một mô hình hệ thống mô tả bằng VHDL
2.1.3. Giới thiệu khái quát về ngôn ngữ Verilog
2.2. Môi trường lập trình cho FPGA
2.2.1. ISE
2.2.2. Các bước để tạo ra một thiết kế với ISE
2.2.2.1. Tạo một Project
2.2.2.2. Tạo mã nguồn VHDL
2.2.2.3. Mô phỏng
2.2.2.4. Tạo ràng buộc thời gian
2.2.2.5. Gán chân
CHƯƠNG 3: CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA VIRTEX 4 VÀ CÁC PHẦN MỀM HỖ TRỢ
3.1. Những đặc điểm cơ bản của XtremeDSP Development Kit Pro (Virtex IV)
3.1.1. Giới thiệu chung
3.1.2. Các thành phần chính của Virtex
3.2. Các phần mềm chuyên dụng hỗ trợ kit Virtex
3.2.1. FUSE
3.2.2. Matlab và các gói công cụ Xilinx hỗ trợ cho Matlab
CHƯƠNG 4: THỰC HIỆN MÔ HÌNH THIẾT KẾ VỚI KIT VIRTEX4.1. Giới thiệu
4.2. Hai khối chức năng chính trong sơ đồ
4.2.1. Khối tạo mã Walsh
4.2.1.1. Lý thuyết về mã Walsh
4.2.1.2. Thực hiện trong thiết kế
4.2.1.3. Sơ đồ và kết quả mô phỏng bộ tạo 2 dãy Walsh (4,16) Và (3,16)
4.2.2. Khối mã hóa cosin tăng (Raised-Cosine)
4.2.2.1. Lý thuyết
4.2.2.2. Thực hiện trong thiết kế
4.2.3. Khối tạo dữ liệu
4.2.4. Các khối khác
4.3. Mô hình thiết kế và kết quả thu được
4.3.1. Mô hình mô phỏng với các khối trong gói cung cấp bới Xilinx và trong System Generator
4.3.2. Kết quả mô phỏng
4.3.3. Thực hiện chương trình trên Kit Virtex 4 và kết quả thu được
4.3.3.1. Thực hiện trên Kit Virtex
4.3.3.2. Kết quả thu được
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
---------------------------------------
Keyword: khoa luan tot nghiep,thiet ke,bo phat ma walsh,cho he do kenh mimo,dung cong nghe fpga,dao van quan
Nhận xét
Đăng nhận xét